Устройство многоступенчатой ракеты кратко
Обновлено: 02.07.2024
Идея многоступенчатых ракет была выдвинута в 1914 году одним из пионеров ракетной техники американцем Робертом Годдардом, за что даже был получен патент №1102653. Через 15 лет Константин Эдуардович Циолковский развил идею в виде ракетного поезда, который состоял из нескольких последовательно соединенных ракет, разгоняющихся вначале по земле, а потом в воздухе. Каждая из ракет, выработавшее топливо, отсоединялась от других и сбрасывалась.
Сегодняшние ракеты по земле не разгоняются, а сразу взмывают в воздух, но принцип многоступенчатости до сих пор является единственным оптимальным вариантом оторваться от земли, достичь первой космической скорости и стать спутником нашей планеты. Разумеется, одноступенчатая ракета также может выйти на околоземную орбиту, но практического смысла это иметь не будет: такая ракета, имея крайне малую эффективность, не сможет нести полезную нагрузку в необходимом объеме.
Как же работают многоступенчатые ракеты? При старте работает первая ступень, разгоняя всю ракету-носитель до определенной высоты. После полного расхода топлива первая ступень отделяется, и включаются двигатели второй ступени, сообщая дальнейшее ускорение ракете. Аналогично первой ступени, после выработки топлива вторая ступень отделяется, и включаются двигатели третьей ступени, выводя космический аппарат на орбиту. Затем третья ступень также отделяется. Примерно так работает вывод космического аппарата на орбиту. Такой принцип позволяет достичь более высокой скорости, чем каждая отдельная ступень.
Сброс каждой из ступеней существенно облегчает массу всей системы – ведь пустая ступень состоит не только из оболочки, в ней присутствует достаточно тяжелый двигатель и зачастую не один.
Однако число ступеней не может быть слишком большим. При увеличении числа ступеней масса ракеты начинает резко возрастать – ведь добавляется масса не только двигателей, но и тяжелых переходных элементов, соединяющих ступени. Кроме того, с увеличением сложности конструкции надежность всей системы падает. Особенно это относится к тем элементам, которые невозможно проверить перед стартом в силы их одноразовости – например, пироболтам, после подрыва которых ступень отделяется.
Поэтому в современных ракетах-носителях чаще всего ограничиваются применением трех-четырех ступеней.
Многоступенчатые ракеты
Об использовании многоступенчатых ракет для освоения космоса впервые заговорил Циолковский. В 1929 г. он выпустил в свет свою новую книгу под заглавием „Космические ракетные поезда".
Современные ракеты, как известно, не разбегаются по земле, а взлетают вертикально. Тем не менее ход мысли Циолковского был абсолютно правильный. В идеале при полете ракеты ее масса непрерывно уменьшается по мере выгорания топлива. Однако , когда часть топлива выгорела, то масса топливных баков становится избыточной. Поэтому логично вместо одного топливного бака для всей ракеты разбить топливный бак на несколько частей , включающихся последовательно – как только в одном из баков все топливо выгорит, его есть надо сбросить, как ненужный балласт.
Принцип работы многоступенчатой ракеты таков. Вначале, при пуске, работает двигатель 1-й ступени, способный поднять и разогнать до определенной скорости всю ракету. После израсходования основной массы топлива двигатель 1-й ступени вместе с конструкцией, включающей опорожненные баки, отбрасывается. Дальнейший полёт продолжается при работающем двигателе 2-й ступени, имеющем меньшую тягу, но способным сообщить облегчённой ракете дополнительную скорость. После выгорания топлива 2-й ступени включается двигатель 3-й ступени, а 2-я ступень сбрасывается. Процесс отделения ступеней теоретически может быть продолжен и далее, однако из-за усложнения конструкции 2-4 ступени практически являются пределом.
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются с последовательным и параллельным расположением ступеней. При обычном последовательном соединении (тандем) каждая отдельная ступень сначала полностью отрабатывает, затем отделяется, после чего включается двигатель следующей ступени. При параллельном соединении (т. н. пакетные схемы) отдельные ступени (а также двигатели и топливные баки) могут участвовать в работе одновременно. Разница между последовательным (а) и параллельным (б) соединением понятна из прилагаемого рисунка:
Более глубокая математическая проработка была продолжена в 50-е гг., когда вопросы расчёта и конструирования многоступенчатых ракет стали насущными практическими задачами науки и техники.
Всегда ли космические ракеты будут многоступенчатыми? Теоретически понятно, что если удастся сделать ракеты со скоростью истечения рабочего тела намного более высокой, чем у ракет с химическими (жидкостными или твердотопливными) двигателями, то и с земли можно будет запускать не многоступенчатые ракеты (которые по сути своей – одноразовые), а многоразовые аппараты. Известны реактивные двигатели со значительно более высокой скоростью истечения рабочего тела – это электрореактивные или ядернореактивные двигатели (возможен, например, и их гибрид – например, хорошо разработанные ракеты, в которых рабочим телом служат ионы ксенона, разгоняемые до нужной скорости ядерной энергетической установкой). Однако у электрореактивных ракет пока очень малая тяга, чтобы стартовать с Земли, запускать же ракеты с ядерным двигателем прямо с Земли опасно с точки зрения экологии. Поэтому их пока можно запускать только с орбиты, а на орбиту их надо выводить все теми же многоступенчатыми жидкостными ракетами. Возможно, прогресс здесь наступит после внедрения электронно-импульсных двигателей, которые будут обладать достаточной силой тяги для старта с Земли.
Сегодня мы расскажем об устройстве и работе многоступенчатой ракеты. Есть несколько схем таких ракет и каждая по своему уникальна.
В схеме с поперечным делением ступеней двигательные установки работают последовательно; в схеме с продольным делением двигательные установки последующей ступени могут работать одновременно с двигательными установками предыдущей ступени; в комбинированной схеме и одновременно, и последовательно. Множество различных моделей многоступенчатых ракет разработано в SpaceX.
В полете, когда еще израсходован не весь запас топлива, а лишь находящийся в баках одной ступени, происходит сброс использованных и не нужных для дальнейшего полета элементов конструкции. Пока работают двигатели первой ступени, мы можем рассматривать остальную часть ракеты в качестве полезной нагрузки.
После отделения первой ступени работают двигатели второй ступени. Они-то и добавляют к уже имеющейся скорости свою собственную и в результате суммарная скорость становится большей.
Следует отметить, что значение коэффициента К для многоступенчатой ракеты обычно немного больше, чем для одноступенчатой, так как при подъеме ракеты плотность воздуха, а следовательно, и его сопротивление постепенно уменьшаются.
Рассмотрим на конкретном примере преимущества многоступенчатой ракеты. Предположим, что поставлена задача сообщить ракете первую космическую скорость. Конструктивное совершенство ее таково, что в каждой ее ступени масса топлива составляет 80%, а на долю конструкции приходятся остальные 20%. Примем скорость истечения газов двигателей всех ступеней , равной 3000 м/с.
Условимся, что коэффициент К также остается постоянным у каждой ступени. Расчет показывает, что при этих условиях, как уже было показано выше, к концу работы двигателей первой ступени ракета разовьет скорость V1, равную 3381 м/с. После окончания работы двигателей первой ступени она отделяется, а оставшаяся часть ракеты продолжает движение. Но так как полет этой ракеты начнется не из состояния покоя, и она уже имеет скорость V1, равную 3381 м/с, то конечная скорость ее составит 6762 м/с. При скорости истечения с—3500 м/с и 4000 м/с соответственно получим V3 = 7900 м/с и 9000 м/с.
Итак, решение задачи достижения первой космической скорости найдено. Для получения же еще больших скоростей надо только увеличивать число ступеней. Однако при переходе даже от одноступенчатых ракет малой массы к более тяжелым конструкторы встретились с рядом значительных трудностей.
Они состоят в том, что при увеличении линейных размеров, например в два раза, объем и масса ракеты возрастают в восемь раз, а поперечное сечение конструкции ее элементов — в четыре раза. Соответственно возрастают, примерно в два раза, и механические напряжения, вызываемые инерционными силами.
Каково устройство многоступенчатой ракеты разберем на классическом примере ракеты для полета в космос, описанном в трудах Циолковского, родоначальника ракетостроения. Именно им первым была опубликована принципиальная идея изготовления ракеты многоступенчатой.
Устройство и принцип действия ракеты
Принцип действия ракеты.
Для того чтобы преодолеть земное притяжение, ракете необходим большой запас топлива, при этом, чем больше топлива мы берем, тем больше получается масса ракеты. Поэтому для уменьшения массы ракеты их строят на принципе многоступенчатости. Каждую ступень можно рассматривать как отдельную ракету с собственным ракетным двигателем и запасом топлива для полета.
Устройство ступеней космической ракеты.
Первая ступень космической ракеты самая большая, в ракете для полета космос двигателей 1ой ступени может быть до 6 и более чем тяжелей груз необходимо вывести в космос, тем больше двигателей в первой ступени ракеты.
В классическом варианте их три, расположены симметрично по краям равнобедренного треугольника как бы опоясывающего ракету по периметру. Эта ступень самая большая и мощная, именно она отрывает ракету от Земли. Когда топливо в первой ступени ракеты израсходовано вся ступень отбрасывается.
После этого движением ракеты управляют двигатели второй ступени. Их иногда называют разгонными, поскольку именно с помощью двигателей второй ступени ракета достигает первой космической скорости, достаточной для выхода на околоземную орбиту.
Так может повторяться несколько раз, при этом каждая ступень ракеты весит меньше предыдущей, поскольку с набором высоты сила притяжения Земли уменьшается.
Сколько раз повторяется этот процесс столько и ступеней содержит космическая ракета. Последняя ступень ракеты предназначена для маневрирования (маршевые двигатели для коррекции полета имеются в каждой ступени ракеты) и доставки полезного груза и космонавтов к месту назначения.
Мы рассмотрели устройство и принцип действия ракеты, точно также устроены и принципиально не отличаются от космических ракет баллистические многоступенчатые ракеты, страшное оружие несущее ядерное оружие. Они способны полностью уничтожить как жизнь на всей планете, так и саму планету Земля.
Многоступенчатые баллистические ракеты выходят на околоземную орбиту и уже оттуда поражают наземные цели разделившимися боеголовками с ядерными зарядами. При этом чтобы долететь до самой удаленной точки им достаточно 20-25 минут.
Многоступенчатая ракета – ракета, которая состоит из двух и более ракетных ступеней.
Для создания большой ракеты конструкторы пошли по пути добавления и объединения нескольких отдельных ступеней. Каждая ступень снабжена индивидуальной двигательной установкой, системой управления и при необходимости другими дополнительными системами. Каждая из ступеней создана и оптимизирована для определенного участка траектории полета ракеты. После полного выгорания топлива в ступени происходит ее отбрасывание. Самая первая ступень, как правило, является самой мощной и тяжелой и используется для подъема ракета в плотных слоях атмосферы.
Существует несколько типов компоновки ступеней: последовательная, параллельная и комбинированная. Последовательная компоновка заключается в том, что запуск, работа и отделение ступени происходят лишь до запуска последующей.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Ракета
Ракета Ракета (от нем. Rakete) – летательный аппарат, передвижение которого в пространстве обусловлено действием реактивной силы, возникающей при выбросе сгорающего ракетного топлива (рабочего тела). В отличие от самолета ракета может летать и за пределами земной
Ракета Х-23
Ракета Х-35
Ракета Р-23
Ракета Р-3 (Р-13)
Ракета AIM-120A
Ракета AIM-120A Проектирование ракеты AIM-120A велось с конца 1979 г. Первоначально она имела обозначение AMRAAM.Разработчики стремились создать ракету с автономной системой наведения, способную эффективно бороться как с высотными энергично маневрирующими целями, так и с
Человек-ракета
Ракета
Ракета Ракета (военная) – изобретена китайцами еще в XI в.; она (прототип современной) состояла из бумажной гильзы, набитой пороховым составом и привязанной к стрелке так, что дно гильзы смотрело в одну сторону с острием стрелы. Зажегши состав, бросали стрелу рукой или
Читайте также: